生物反應(yīng)器的放大與控制

1、精選ppt第九章第九章 生物反應(yīng)器的放大與控制生物反應(yīng)器的放大與控制精選ppt引言引言n一個生物工程產(chǎn)品必須經(jīng)歷從實(shí)驗(yàn)室到規(guī)?；a(chǎn)直至成一個生物工程產(chǎn)品必須經(jīng)歷從實(shí)驗(yàn)室到規(guī)模化生產(chǎn)直至成為商品的一系列過程，其研究開發(fā)包含了實(shí)驗(yàn)室的小試，為商品的一系列過程，其研究開發(fā)包含了實(shí)驗(yàn)室的小試，適當(dāng)規(guī)模中試和產(chǎn)業(yè)規(guī)?；a(chǎn)等幾個階段。適當(dāng)規(guī)模中試和產(chǎn)業(yè)規(guī)?；a(chǎn)等幾個階段。n生物反應(yīng)器的放大是生物加工過程的關(guān)鍵技術(shù)之一。生物反應(yīng)器的放大是生物加工過程的關(guān)鍵技術(shù)之一。 n生物反應(yīng)器的放大生物反應(yīng)器的放大:是指將研究設(shè)備中的優(yōu)化的培養(yǎng)結(jié)果是指將研究設(shè)備中的優(yōu)化的培養(yǎng)結(jié)果轉(zhuǎn)移到高一級設(shè)備中加以重演的技術(shù)，實(shí)

2、際上也兼具生物轉(zhuǎn)移到高一級設(shè)備中加以重演的技術(shù)，實(shí)際上也兼具生物反應(yīng)過程放大的含義。它是生物技術(shù)開發(fā)過程中的重要組反應(yīng)過程放大的含義。它是生物技術(shù)開發(fā)過程中的重要組成部分，也是生物技術(shù)成果得以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵之一。成部分，也是生物技術(shù)成果得以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵之一。 精選ppt引言引言n反應(yīng)器的放大涉及內(nèi)容較多。除涉及微生物的生反應(yīng)器的放大涉及內(nèi)容較多。除涉及微生物的生化反應(yīng)機(jī)制和生理特性外還涉及化工放大方面的化反應(yīng)機(jī)制和生理特性外還涉及化工放大方面的內(nèi)容，諸如：反應(yīng)動力學(xué)，傳遞和流體流動的機(jī)內(nèi)容，諸如：反應(yīng)動力學(xué)，傳遞和流體流動的機(jī)理等。因此，它是一個十分復(fù)雜的過程。理等。因此，它是一個十分復(fù)

3、雜的過程。n目前反應(yīng)器的放大方法主要有：經(jīng)驗(yàn)放大法、因目前反應(yīng)器的放大方法主要有：經(jīng)驗(yàn)放大法、因次分析法、時間常數(shù)法和數(shù)學(xué)模擬法。次分析法、時間常數(shù)法和數(shù)學(xué)模擬法。精選ppt第一節(jié)第一節(jié) 生物反應(yīng)器的放大生物反應(yīng)器的放大n一、經(jīng)驗(yàn)放大法一、經(jīng)驗(yàn)放大法n二、其他放大方法二、其他放大方法精選ppt簡介簡介n定義定義:經(jīng)驗(yàn)放大法是依據(jù)對已有生物反應(yīng)器的操作經(jīng)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)放大法是依據(jù)對已有生物反應(yīng)器的操作經(jīng)驗(yàn)所建立起的一些規(guī)律而進(jìn)行放大的方法。所建立起的一些規(guī)律而進(jìn)行放大的方法。n特點(diǎn)特點(diǎn):這些規(guī)律多半是定性的，僅有一些簡單的、粗糙這些規(guī)律多半是定性的，僅有一些簡單的、粗糙的定量概念。由于該法對事物的機(jī)理缺

4、乏透徹的了解，的定量概念。由于該法對事物的機(jī)理缺乏透徹的了解，因而放大比例一般較小，并且此法不夠精確。但是對因而放大比例一般較小，并且此法不夠精確。但是對于目前還難進(jìn)行理論解析的領(lǐng)域，還要依靠經(jīng)驗(yàn)放大于目前還難進(jìn)行理論解析的領(lǐng)域，還要依靠經(jīng)驗(yàn)放大法。對于生物反應(yīng)器來說，到目前為止，應(yīng)用較多的法。對于生物反應(yīng)器來說，到目前為止，應(yīng)用較多的方法也是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)用的原則進(jìn)行反應(yīng)器的放大和方法也是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)用的原則進(jìn)行反應(yīng)器的放大和設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)。精選ppt（一）幾何相似放大（一）幾何相似放大n定義定義:生物反應(yīng)器的尺寸放大大多數(shù)是利生物反應(yīng)器的尺寸放大大多數(shù)是利用幾何相似原則放大。所謂的幾何相似用幾何

5、相似原則放大。所謂的幾何相似指的是兩臺設(shè)備的幾何形狀完全相似。指的是兩臺設(shè)備的幾何形狀完全相似。在幾何相似放大中，放大倍數(shù)實(shí)際上就在幾何相似放大中，放大倍數(shù)實(shí)際上就是反應(yīng)器體積的增加倍數(shù)。是反應(yīng)器體積的增加倍數(shù)。精選ppt（一）幾何相似放大（一）幾何相似放大1212HHDD 常 數(shù)（7-1） 32211VDmVD（7-2）1132HmH和1132DmD（7-3） 式中: 反應(yīng)器的高度，m； 反應(yīng)器的內(nèi)徑，m； 反應(yīng)器的體積，m3； 下標(biāo)“1”-模型反應(yīng)器； 下標(biāo)“2”放大的反應(yīng)器。HDV若按幾何相似放大法，若按幾何相似放大法，當(dāng)體積增加當(dāng)體積增加10倍時，倍時，生物反應(yīng)器的直徑和生物反應(yīng)器的直

6、徑和高度均放大高度均放大101/3倍。倍。精選ppt（二）以單位體積液體中攪拌功率相同放大（二）以單位體積液體中攪拌功率相同放大 n定義定義:以單位體積液體所分配的攪拌軸功以單位體積液體所分配的攪拌軸功率相同這一準(zhǔn)則進(jìn)行的反應(yīng)器的放大，率相同這一準(zhǔn)則進(jìn)行的反應(yīng)器的放大，是一般機(jī)械攪拌式化學(xué)反應(yīng)器的放大準(zhǔn)是一般機(jī)械攪拌式化學(xué)反應(yīng)器的放大準(zhǔn)則，可以將此準(zhǔn)則應(yīng)用于生物反應(yīng)器的則，可以將此準(zhǔn)則應(yīng)用于生物反應(yīng)器的放大放大 。精選ppt（二）以單位體積液體中攪拌功率相同放大（二）以單位體積液體中攪拌功率相同放大 常數(shù)LPV （7-4） 對于不通氣時的機(jī)械攪拌生物反應(yīng)器，根據(jù)軸功率計(jì)算公式，可以得到：,35

7、3iLiPnDVD（7-5）因此32iLPnDV （7-6） 所以()213212DnnD（7-7） ()32211DPPD（7-8） 不通氣時的攪拌功率，kW；反應(yīng)器的內(nèi)徑，m；發(fā)酵液的體積，m3；下標(biāo)“1”模型反應(yīng)器；下標(biāo)“2”放大的反應(yīng)器。PiDLV精選ppt（二）以單位體積液體中攪拌功率相同放大（二）以單位體積液體中攪拌功率相同放大 對于通氣式機(jī)械攪拌生物反應(yīng)器，可取單位體積液體分配的對于通氣式機(jī)械攪拌生物反應(yīng)器，可取單位體積液體分配的通氣攪拌功率相同的準(zhǔn)則進(jìn)行放大，即：通氣攪拌功率相同的準(zhǔn)則進(jìn)行放大，即：()()gg21LLPPVV（7-9） 根據(jù)通氣時攪拌軸功率的計(jì)算公式，可知根據(jù)

8、通氣時攪拌軸功率的計(jì)算公式，可知 .3 1 52 3 4 6gi0 2 5 2LgPnDVu（7-10） 精選ppt（二）以單位體積液體中攪拌功率相同放大（二）以單位體積液體中攪拌功率相同放大 所以所以.()()21G0 750 081212GQDnnDQ（7-11） .()()2211G2770242gg1GQDPPDQ（7-12） 式中 通氣攪拌率； 通氣量； 空氣的線速度。gPGQgu精選ppt（三）以單位培養(yǎng)液體積的空氣流量相同的原則進(jìn)行放大（三）以單位培養(yǎng)液體積的空氣流量相同的原則進(jìn)行放大生物細(xì)胞培養(yǎng)過程中空氣流量的表示方式有兩種：生物細(xì)胞培養(yǎng)過程中空氣流量的表示方式有兩種：（1）單

9、位培養(yǎng)液體積在單位時間內(nèi)通入的空氣量（標(biāo)準(zhǔn)態(tài)），即：）單位培養(yǎng)液體積在單位時間內(nèi)通入的空氣量（標(biāo)準(zhǔn)態(tài)），即：0LQV V MV，m3/（m3min） （7-13） （2）操作狀態(tài)下空氣的線速度）操作狀態(tài)下空氣的線速度 ，m/h。gu(). ()()40Lg2iLiL60Q 273t9 8 1027465 6 VVM273t VuDpD273p4，m/h （7-14） 精選ppt（三）以單位培養(yǎng)液體積的空氣流量相同的原則進(jìn)行放大（三）以單位培養(yǎng)液體積的空氣流量相同的原則進(jìn)行放大.()2gLi0Lup DQ27465 6273t V，m3/h （7-15） .()2gLiLu p DVVM2746

10、5 6273t V，m3/（m3min） （7-16） 式中 反應(yīng)器內(nèi)徑，m； 反應(yīng)器的溫度，； 發(fā)酵液體積，m3； 液柱平均絕對壓力，Pa。iDtLVLp精選ppt（三）以單位培養(yǎng)液體積的空氣流量相同的原則進(jìn)行放大（三）以單位培養(yǎng)液體積的空氣流量相同的原則進(jìn)行放大以單位培養(yǎng)液體積的空氣流量相同的原則進(jìn)行放大時，有以單位培養(yǎng)液體積的空氣流量相同的原則進(jìn)行放大時，有 ()()21VVMVVM即即()()iLg2LiLVVM DVVM Vup Dp（7-17） 因此因此2112gL2g1LupDuDp（7-18）由上式可知，當(dāng)體積放大由上式可知，當(dāng)體積放大100倍時，倍時， ，如果忽略液柱壓力，如

11、果忽略液柱壓力 ，則則 即線速度增大即線速度增大4.64倍，其結(jié)果是顯得空氣線速度放大倍，其結(jié)果是顯得空氣線速度放大過多。過多。214.64DDLP214.64gguu精選ppt（四）以空氣線速度相同的原則進(jìn)行放大（四）以空氣線速度相同的原則進(jìn)行放大以空氣線速度相同的原則進(jìn)行放大時有以空氣線速度相同的原則進(jìn)行放大時有21gguu（7-19） 即即122211()()iLLiDV V MpV V MpD（7-20） 由上式可知，當(dāng)體積放大100倍時，即 ，若忽略液柱壓力，即 ，即通風(fēng)量減少4.64倍，其結(jié)果是通風(fēng)量過小。214.64DD21()1()4.64VVMVVM精選ppt（五）以（五）以

12、 相同的原則進(jìn)行放大相同的原則進(jìn)行放大aKL在耗氧發(fā)酵過程中，由于氧在培養(yǎng)液中的溶解度很低，生物反應(yīng)很容易因?yàn)榉磻?yīng)器供氧能力的限制受到影響，因此以反應(yīng)器的 相同作為放大準(zhǔn)則，往往可以收到較好的效果。aKL反應(yīng)器的 與操作條件及培養(yǎng)液的物性有關(guān)，在進(jìn)行放大時，培養(yǎng)液性質(zhì)基本相同，所以可只考慮操作條件的影響。aKL根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道， 與通氣量 、液柱高度 、培養(yǎng)液體積 存在如下的比例關(guān)系：aKLGQLHLV23()GLLLQKaHV（7-21） 精選ppt（五）以（五）以 相同的原則進(jìn)行放大相同的原則進(jìn)行放大aKL按 相等的原則進(jìn)行放大，則有：aKL2322223111()()1()()GLLLGLL

13、LQHKaVQKaHV（7-22） 故23222311()()GLLGLLQHVQHV（7-23） 精選ppt（五）以（五）以 相同的原則進(jìn)行放大相同的原則進(jìn)行放大aKL又因?yàn)?3:,GgiLiQu D VD（7-24） 所以31)(1212iiggDDuu（7-25） 又因?yàn)?)gLDuVVMp（7-26） 故12221312()()()()LLpVVMDVVMDp（7-27）精選ppt（五）以（五）以 相同的原則進(jìn)行放大相同的原則進(jìn)行放大aKL也有采用下面的表達(dá)式作為放大基礎(chǔ)：0.560.70.71.86 (22.8 )()gLgLPK amunV（7-28） 因此0.560.70.7()

14、gLgLPKaunV（7-29） 若以3.152.3460.252()giLgPnDVu（7-30）2.451.320.56LigKanDu（7-31） aKL精選ppt（五）以（五）以 相同的原則進(jìn)行放大相同的原則進(jìn)行放大aKL按相同的原則進(jìn)行放大，則：210.230.5332211()()gguDnnuD（7-32） 210.6813.402211()()gguDPPuD（7-33） 22110.9673.66721()()gggguDPPuD（7-34）精選ppt（六）攪拌器葉尖速度相同的準(zhǔn)則（六）攪拌器葉尖速度相同的準(zhǔn)則n按照攪拌器的葉尖速度相等的原則進(jìn)行放大。當(dāng)大小按照攪拌器的葉尖速

15、度相等的原則進(jìn)行放大。當(dāng)大小反應(yīng)器中攪拌器的葉尖速度相等時，反應(yīng)器中攪拌器的葉尖速度相等時， ，因此：，因此： 1122n Dn D2112nDnD（7-35） 精選ppt（七）混合時間相同的準(zhǔn)則（七）混合時間相同的準(zhǔn)則n混合時間是指在反應(yīng)器中加入物料，到它們被混合均混合時間是指在反應(yīng)器中加入物料，到它們被混合均勻時所需的時間。在小反應(yīng)器中，比較容易混合均勻，勻時所需的時間。在小反應(yīng)器中，比較容易混合均勻，而在大反應(yīng)器中，則較為困難。通過因次分析，得到而在大反應(yīng)器中，則較為困難。通過因次分析，得到以下關(guān)系：以下關(guān)系：32111362222()MiiLitnDgDHD（7-36） 精選ppt（七

16、）混合時間相同的準(zhǔn)則（七）混合時間相同的準(zhǔn)則對于幾何相似的反應(yīng)器， 時，從上式可以得出：21MMtt142112()nDnD（7-37） 精選ppt總結(jié)總結(jié)需要指出的是上述放大方法是各強(qiáng)調(diào)一個側(cè)重點(diǎn)，得出的需要指出的是上述放大方法是各強(qiáng)調(diào)一個側(cè)重點(diǎn)，得出的結(jié)論往往有較大的差異。結(jié)論往往有較大的差異。下表所列出的是下表所列出的是10L小罐（小罐（n=500r/min，通氣，通氣1VVM）放大到放大到10000L（即放大（即放大1000倍）時，按照不同的放大準(zhǔn)則倍）時，按照不同的放大準(zhǔn)則所得出的結(jié)論，并以攪拌轉(zhuǎn)速來進(jìn)行比較。所得出的結(jié)論，并以攪拌轉(zhuǎn)速來進(jìn)行比較。表7-1 放大方法的比較方法放大后攪

17、拌轉(zhuǎn)速，r/min方法放大后攪拌轉(zhuǎn)速，r/min等體積功率等氧質(zhì)系數(shù)79非通氣107等葉端速度50通氣85等混合時間1260精選ppt總結(jié)總結(jié)從表中的數(shù)據(jù)可以看到，按照不同準(zhǔn)則放大，結(jié)果是放從表中的數(shù)據(jù)可以看到，按照不同準(zhǔn)則放大，結(jié)果是放大后的反應(yīng)器其他參數(shù)發(fā)生了懸殊的差別。這說明在放大后的反應(yīng)器其他參數(shù)發(fā)生了懸殊的差別。這說明在放大中選用什么準(zhǔn)則是很重要的，這要根據(jù)放大體系的特大中選用什么準(zhǔn)則是很重要的，這要根據(jù)放大體系的特點(diǎn)而確定。點(diǎn)而確定。反應(yīng)器的放大問題現(xiàn)在尚未解決，在放大時往往外還要反應(yīng)器的放大問題現(xiàn)在尚未解決，在放大時往往外還要憑借經(jīng)驗(yàn)。有人統(tǒng)計(jì)，實(shí)際放大過程中應(yīng)用最多的是和憑借經(jīng)

18、驗(yàn)。有人統(tǒng)計(jì)，實(shí)際放大過程中應(yīng)用最多的是和相同。相同。精選ppt二、其他放大方法二、其他放大方法 n因次分析法因次分析法n時間常數(shù)法時間常數(shù)法n數(shù)學(xué)模擬法數(shù)學(xué)模擬法精選ppt二、其他放大方法二、其他放大方法 因次分析法也稱相似模擬法，它是根據(jù)相似原理，以保持因次分析法也稱相似模擬法，它是根據(jù)相似原理，以保持無因次準(zhǔn)數(shù)相等的原則進(jìn)行放大。該法是根據(jù)對過程的了無因次準(zhǔn)數(shù)相等的原則進(jìn)行放大。該法是根據(jù)對過程的了解，確定影響過程的因素，用因次分析方法求得相似準(zhǔn)數(shù)，解，確定影響過程的因素，用因次分析方法求得相似準(zhǔn)數(shù)，根據(jù)相似理論的第一定律（各系統(tǒng)互相相似，則同一相似根據(jù)相似理論的第一定律（各系統(tǒng)互相相似

19、，則同一相似準(zhǔn)數(shù)的數(shù)值相等的原理），若能保證放大前與放大后的無準(zhǔn)數(shù)的數(shù)值相等的原理），若能保證放大前與放大后的無因次數(shù)群相同，則有可能保證放大前與放大后的某些特性因次數(shù)群相同，則有可能保證放大前與放大后的某些特性相同。相同。精選ppt二、其他放大方法二、其他放大方法 迄今為止，因次分析法已成功地應(yīng)用于各種物理過程。但對迄今為止，因次分析法已成功地應(yīng)用于各種物理過程。但對有生化反應(yīng)參與的反應(yīng)器的放大則存在一定的困難。這是因有生化反應(yīng)參與的反應(yīng)器的放大則存在一定的困難。這是因?yàn)樵诜糯筮^程中，要同時保證放大前后幾何相似、流體力學(xué)為在放大過程中，要同時保證放大前后幾何相似、流體力學(xué)相似、傳熱相似和反應(yīng)

20、相似實(shí)際上幾乎是不可能的，保證所相似、傳熱相似和反應(yīng)相似實(shí)際上幾乎是不可能的，保證所有無因次數(shù)群完全相等也是不現(xiàn)實(shí)的，并且還會得出極不合有無因次數(shù)群完全相等也是不現(xiàn)實(shí)的，并且還會得出極不合理的結(jié)果。理的結(jié)果。精選ppt二、其他放大方法二、其他放大方法 在生物反應(yīng)器的放大過程中，由于同時涉及微生物的生長、在生物反應(yīng)器的放大過程中，由于同時涉及微生物的生長、傳質(zhì)、傳熱和剪切等因素，需要維持的相似條件較多，要傳質(zhì)、傳熱和剪切等因素，需要維持的相似條件較多，要使其同時滿足是不可能的，因此用因次分析法一般難以解使其同時滿足是不可能的，因此用因次分析法一般難以解決生物反應(yīng)器的放大問題。為此常需要根據(jù)已有的

21、知識和決生物反應(yīng)器的放大問題。為此常需要根據(jù)已有的知識和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷，以確定何者更為重要，同時也能兼顧其他經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷，以確定何者更為重要，同時也能兼顧其他的條件。的條件。精選ppt二、其他放大方法二、其他放大方法 時間常數(shù)是指某一變量與其變化速率之比。常用的時間常數(shù)時間常數(shù)是指某一變量與其變化速率之比。常用的時間常數(shù)有反應(yīng)時間、擴(kuò)散時間、混合時間、停留時間、傳質(zhì)時間、有反應(yīng)時間、擴(kuò)散時間、混合時間、停留時間、傳質(zhì)時間、傳熱時間和溶氧臨界時間等。時間常數(shù)法可以利用這些時間傳熱時間和溶氧臨界時間等。時間常數(shù)法可以利用這些時間常數(shù)進(jìn)行比較判斷，用于找出過程放大的主要矛盾并據(jù)此來常數(shù)進(jìn)行比較判斷，用

22、于找出過程放大的主要矛盾并據(jù)此來進(jìn)行反應(yīng)器的放大。進(jìn)行反應(yīng)器的放大。精選ppt二、其他放大方法二、其他放大方法 數(shù)學(xué)模擬法是根據(jù)有關(guān)的原理和必要的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對實(shí)際的數(shù)學(xué)模擬法是根據(jù)有關(guān)的原理和必要的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對實(shí)際的過程用數(shù)學(xué)方程的形式加以描述，然后用計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬研過程用數(shù)學(xué)方程的形式加以描述，然后用計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬研究、設(shè)計(jì)和放大。該法的數(shù)學(xué)模型根據(jù)建立方法不同，可分究、設(shè)計(jì)和放大。該法的數(shù)學(xué)模型根據(jù)建立方法不同，可分為由過程機(jī)理推導(dǎo)而得的為由過程機(jī)理推導(dǎo)而得的“機(jī)理模型機(jī)理模型”、由經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)歸納而得、由經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)歸納而得的的“經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀焙徒橛诙咧g的和介于二者之間的“混合模型混合模

23、型”。精選ppt二、其他放大方法二、其他放大方法 n機(jī)理模型是從分析過程的機(jī)理出發(fā)而建立起來的嚴(yán)謹(jǐn)?shù)摹⑾到y(tǒng)機(jī)理模型是從分析過程的機(jī)理出發(fā)而建立起來的嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?、系統(tǒng)的數(shù)學(xué)方程式。此模型建立的基礎(chǔ)是必須對過程要有深刻而透的數(shù)學(xué)方程式。此模型建立的基礎(chǔ)是必須對過程要有深刻而透徹的了解。徹的了解。n經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪且环N以小型實(shí)驗(yàn)、中間試驗(yàn)或生產(chǎn)裝置上實(shí)測的數(shù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪且环N以小型實(shí)驗(yàn)、中間試驗(yàn)或生產(chǎn)裝置上實(shí)測的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)而建立的數(shù)學(xué)模型。據(jù)為基礎(chǔ)而建立的數(shù)學(xué)模型。n混合模型是通過理論分析，確定各參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系的形式，混合模型是通過理論分析，確定各參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系的形式，再通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定此函數(shù)式中各參數(shù)的

24、數(shù)值，也就是把機(jī)理再通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定此函數(shù)式中各參數(shù)的數(shù)值，也就是把機(jī)理模型和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖嘟Y(jié)合而得到的一種模型。模型和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖嘟Y(jié)合而得到的一種模型。精選ppt二、其他放大方法二、其他放大方法 下圖為數(shù)學(xué)模擬放大法用于一般過程開發(fā)的示意圖下圖為數(shù)學(xué)模擬放大法用于一般過程開發(fā)的示意圖基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)測定值過程的模型用電子計(jì)算機(jī)作方案研究模型的放大計(jì)算機(jī)的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較基礎(chǔ)模型的修正用 電 子 計(jì)算 機(jī) 作 設(shè)計(jì)計(jì)算過 程 的 基本設(shè)計(jì)小試中試圖7-1 數(shù)學(xué)模擬放大方法示意圖精選ppt二、其他放大方法二、其他放大方法 數(shù)學(xué)模擬放大法是以過程參數(shù)間的定量關(guān)系為基礎(chǔ)的，因而數(shù)學(xué)模擬放大法是以過程參數(shù)間的定

25、量關(guān)系為基礎(chǔ)的，因而消除了因次分析中的盲目性和矛盾性，而能比較有把握地進(jìn)消除了因次分析中的盲目性和矛盾性，而能比較有把握地進(jìn)行高倍數(shù)的放大，并且模型的精度越高，放大率、倍數(shù)越大。行高倍數(shù)的放大，并且模型的精度越高，放大率、倍數(shù)越大。然而模型的精密程度又建立在基礎(chǔ)研究之上。由于受到這方然而模型的精密程度又建立在基礎(chǔ)研究之上。由于受到這方面的限制，數(shù)學(xué)模擬實(shí)際取得成效的例子不夠多，特別是對面的限制，數(shù)學(xué)模擬實(shí)際取得成效的例子不夠多，特別是對生物反應(yīng)過程，由于過程的復(fù)雜性，這方面的問題還遠(yuǎn)沒解生物反應(yīng)過程，由于過程的復(fù)雜性，這方面的問題還遠(yuǎn)沒解決，但無疑它是一個很有前途的方法。決，但無疑它是一個很有

26、前途的方法。精選ppt第二節(jié)第二節(jié) 生物反應(yīng)器的參數(shù)檢測生物反應(yīng)器的參數(shù)檢測一、生物加工過程的參數(shù)（物理、化學(xué)參數(shù)）一、生物加工過程的參數(shù)（物理、化學(xué)參數(shù)）二、檢測方法與儀器二、檢測方法與儀器 精選ppt一、生物加工過程的參數(shù)（物理、化學(xué)參數(shù)）一、生物加工過程的參數(shù)（物理、化學(xué)參數(shù)）n要對生化過程進(jìn)行有效的操作和控制，首先要了解生要對生化過程進(jìn)行有效的操作和控制，首先要了解生化過程的狀態(tài)變化，也就是要了解生化過程的各種信化過程的狀態(tài)變化，也就是要了解生化過程的各種信息。這些信息可以分為物理變量信息（如發(fā)酵溫度）、息。這些信息可以分為物理變量信息（如發(fā)酵溫度）、化學(xué)變量信息（如化學(xué)變量信息（如p

27、H）以及生物變量信息（如生物質(zhì)）以及生物變量信息（如生物質(zhì)濃度）。濃度）。精選ppt表7-2 生物加工過程的物理、化學(xué)參數(shù)物理參數(shù)化學(xué)參數(shù)間接參數(shù)成熟尚不成熟溫度pH成分濃度氧利用速率（OUR）壓力氧化還原電位糖二氧化碳釋放速率（CER）功率輸入溶解氧濃度氮呼吸熵（RQ）攪拌速率溶解 CO2濃度前體總氧利用體積氧傳遞系數(shù)通氣流量排氣氧分壓誘導(dǎo)物位置排氣CO2分壓產(chǎn)物加料速率其他排氣成分代謝物細(xì)胞濃度（X）金屬離子細(xì)胞生長速率Mg2+，K+，Ca2+比生長速率（）培養(yǎng)液重量Na+， SO42-細(xì)胞得率（YX/S）培養(yǎng)液體積PO43-糖利用率精選ppt表7-2 生物加工過程的物理、化學(xué)參數(shù)NAD，

28、NADH氧的利用率培養(yǎng)液表觀糖度ATP，ADP，AMP比基質(zhì)消耗率（）積累量脫氫酶活力前體利用率酸其它各種酶活力產(chǎn)物量（）堿細(xì)胞內(nèi)成分比生產(chǎn)率消泡劑蛋白質(zhì)其他需要計(jì)算的值參數(shù)DNA細(xì)胞量RNA功率 功率準(zhǔn)數(shù)氣泡含量雷諾數(shù)精選ppt表7-2 生物加工過程的物理、化學(xué)參數(shù)面積生物量表面張力生物熱碳平衡能量平衡精選ppt（一）設(shè)定參數(shù)1壓強(qiáng)壓強(qiáng) 對通氣生物發(fā)酵反應(yīng)，必須往反應(yīng)器中通入無菌的潔對通氣生物發(fā)酵反應(yīng)，必須往反應(yīng)器中通入無菌的潔凈空氣，一是供應(yīng)生物細(xì)胞呼吸代謝所必須的氧，二凈空氣，一是供應(yīng)生物細(xì)胞呼吸代謝所必須的氧，二是強(qiáng)化培養(yǎng)液的混合與傳質(zhì)，三是維持反應(yīng)器有適宜是強(qiáng)化培養(yǎng)液的混合與傳質(zhì)，三

29、是維持反應(yīng)器有適宜的表壓，以防止外界雜菌進(jìn)入發(fā)酵系統(tǒng)。對氣升式反的表壓，以防止外界雜菌進(jìn)入發(fā)酵系統(tǒng)。對氣升式反應(yīng)器，通氣壓強(qiáng)的適度控制是高效溶氧傳質(zhì)及能量消應(yīng)器，通氣壓強(qiáng)的適度控制是高效溶氧傳質(zhì)及能量消耗的關(guān)鍵因素之一。對嫌氣發(fā)酵，如廢水的生物厭氧耗的關(guān)鍵因素之一。對嫌氣發(fā)酵，如廢水的生物厭氧生物處理，對反應(yīng)體系內(nèi)壓強(qiáng)的監(jiān)控也是十分必要的。生物處理，對反應(yīng)體系內(nèi)壓強(qiáng)的監(jiān)控也是十分必要的。精選ppt（一）設(shè)定參數(shù)2溫度溫度 不管生物細(xì)胞或是酶催化的生物反應(yīng)，反應(yīng)溫度都是不管生物細(xì)胞或是酶催化的生物反應(yīng)，反應(yīng)溫度都是最重要的影響因素。不同的生物細(xì)胞，均有最佳的生最重要的影響因素。不同的生物細(xì)胞，均

30、有最佳的生長溫度或產(chǎn)物生成溫度，而酶也有最適的催化溫度，長溫度或產(chǎn)物生成溫度，而酶也有最適的催化溫度，所以必須使反應(yīng)體系控制在最佳的發(fā)酵反應(yīng)溫度范圍。所以必須使反應(yīng)體系控制在最佳的發(fā)酵反應(yīng)溫度范圍。精選ppt（一）設(shè)定參數(shù)3通氣量通氣量 不論是液體深層發(fā)酵或是固體通風(fēng)發(fā)酵，均要連續(xù)不論是液體深層發(fā)酵或是固體通風(fēng)發(fā)酵，均要連續(xù)（或間歇）往反應(yīng)器中通入大量的無菌空氣。為達(dá)到（或間歇）往反應(yīng)器中通入大量的無菌空氣。為達(dá)到預(yù)期的混合效果和溶氧速率，以及在固體發(fā)酵中控制預(yù)期的混合效果和溶氧速率，以及在固體發(fā)酵中控制發(fā)酵溫度，必須控制工藝規(guī)定的通氣量。當(dāng)然，過高發(fā)酵溫度，必須控制工藝規(guī)定的通氣量。當(dāng)然，過

31、高的通氣量會引起泡沫增多，水分損失太大以及通風(fēng)耗的通氣量會引起泡沫增多，水分損失太大以及通風(fēng)耗能上升等不良影響。能上升等不良影響。精選ppt（一）設(shè)定參數(shù)4液面（或漿液量）液面（或漿液量） 對液體發(fā)酵，反應(yīng)器的液面或是裝液量的控制是反應(yīng)對液體發(fā)酵，反應(yīng)器的液面或是裝液量的控制是反應(yīng)器設(shè)計(jì)的重要因素。液面的高低決定了反應(yīng)器裝液系器設(shè)計(jì)的重要因素。液面的高低決定了反應(yīng)器裝液系數(shù)即影響生產(chǎn)效率；對通風(fēng)液體深層發(fā)酵，初裝液量數(shù)即影響生產(chǎn)效率；對通風(fēng)液體深層發(fā)酵，初裝液量的多少即液面的高低需按工藝規(guī)定確定，否則通入空的多少即液面的高低需按工藝規(guī)定確定，否則通入空氣后發(fā)酵液的含氣率達(dá)一定值，液面就升高，加

32、之泡氣后發(fā)酵液的含氣率達(dá)一定值，液面就升高，加之泡沫的形成，故必須嚴(yán)格控制培養(yǎng)基液面。沫的形成，故必須嚴(yán)格控制培養(yǎng)基液面。精選ppt（一）設(shè)定參數(shù)4液面（或漿液量）液面（或漿液量） 特別地，對氣升內(nèi)環(huán)流式反應(yīng)器，由于導(dǎo)流筒應(yīng)比液特別地，對氣升內(nèi)環(huán)流式反應(yīng)器，由于導(dǎo)流筒應(yīng)比液面低一適當(dāng)高度才能實(shí)現(xiàn)最佳的環(huán)流混合與氣液傳質(zhì)，面低一適當(dāng)高度才能實(shí)現(xiàn)最佳的環(huán)流混合與氣液傳質(zhì)，但在通氣發(fā)酵過程中，排氣會帶出一定水分，故反應(yīng)但在通氣發(fā)酵過程中，排氣會帶出一定水分，故反應(yīng)器內(nèi)培養(yǎng)液會蒸發(fā)減少，因此液面的檢測監(jiān)控更重要，器內(nèi)培養(yǎng)液會蒸發(fā)減少，因此液面的檢測監(jiān)控更重要，必要時需補(bǔ)加新鮮培養(yǎng)基或無菌水，以維持最佳

33、液位。必要時需補(bǔ)加新鮮培養(yǎng)基或無菌水，以維持最佳液位。同理，連續(xù)發(fā)酵過程液位必須維持恒定，液面的檢測同理，連續(xù)發(fā)酵過程液位必須維持恒定，液面的檢測控制也十分重要?？刂埔彩种匾＞xppt（一）設(shè)定參數(shù)5攪拌轉(zhuǎn)速與攪拌功率攪拌轉(zhuǎn)速與攪拌功率 對一定的發(fā)酵反應(yīng)器，攪拌轉(zhuǎn)速對發(fā)酵液的混合狀態(tài)、對一定的發(fā)酵反應(yīng)器，攪拌轉(zhuǎn)速對發(fā)酵液的混合狀態(tài)、溶氧速率、物質(zhì)傳遞等有重要影響，同時影響生物細(xì)溶氧速率、物質(zhì)傳遞等有重要影響，同時影響生物細(xì)胞的生長、產(chǎn)物的生成、攪拌功率消耗等。對某一確胞的生長、產(chǎn)物的生成、攪拌功率消耗等。對某一確定的發(fā)酵反應(yīng)器，當(dāng)通氣量一定時，攪拌轉(zhuǎn)速升高，定的發(fā)酵反應(yīng)器，當(dāng)通氣量一定時，

34、攪拌轉(zhuǎn)速升高，其溶氧速率增大，消耗的攪拌功率也越大。在完全湍其溶氧速率增大，消耗的攪拌功率也越大。在完全湍流的條件下，攪拌功率與攪拌轉(zhuǎn)速的三次方成正流的條件下，攪拌功率與攪拌轉(zhuǎn)速的三次方成正比，比， ，其，其N中為攪拌轉(zhuǎn)速。此外，某些生物中為攪拌轉(zhuǎn)速。此外，某些生物細(xì)胞如動植物細(xì)胞、絲狀菌等，對攪拌剪切敏感，故細(xì)胞如動植物細(xì)胞、絲狀菌等，對攪拌剪切敏感，故攪拌轉(zhuǎn)速和攪拌葉尖線速度有其臨界上限范圍。攪拌轉(zhuǎn)速和攪拌葉尖線速度有其臨界上限范圍。53iPDNNP精選ppt（一）設(shè)定參數(shù) 5攪拌轉(zhuǎn)速與攪拌功率攪拌轉(zhuǎn)速與攪拌功率 同時，攪拌功率與上述的攪拌轉(zhuǎn)速的關(guān)系，是機(jī)械攪同時，攪拌功率與上述的攪拌轉(zhuǎn)速

35、的關(guān)系，是機(jī)械攪拌通氣發(fā)酵罐的比擬放大基準(zhǔn)。因而直接測定或計(jì)算拌通氣發(fā)酵罐的比擬放大基準(zhǔn)。因而直接測定或計(jì)算求出攪拌功率也十分重要。求出攪拌功率也十分重要。精選ppt（一）設(shè)定參數(shù)6泡沫高度泡沫高度 液體生物發(fā)酵，不管是通氣還是厭氣發(fā)酵均有不同程度的液體生物發(fā)酵，不管是通氣還是厭氣發(fā)酵均有不同程度的泡沫產(chǎn)生。發(fā)酵液泡沫產(chǎn)生的原因是多方面的，最主要的泡沫產(chǎn)生。發(fā)酵液泡沫產(chǎn)生的原因是多方面的，最主要的是培養(yǎng)基中所固有的或是發(fā)酵過程中生成的蛋白質(zhì)、菌體、是培養(yǎng)基中所固有的或是發(fā)酵過程中生成的蛋白質(zhì)、菌體、糖類以及其他穩(wěn)定泡沫的表面活性物質(zhì)，加上通氣發(fā)酵過糖類以及其他穩(wěn)定泡沫的表面活性物質(zhì)，加上通氣發(fā)

36、酵過程大量的空氣泡以及厭氣發(fā)酵過程中生成的程大量的空氣泡以及厭氣發(fā)酵過程中生成的CO2氣泡，都?xì)馀?，都會?dǎo)致生物發(fā)酵液面上生成不同程度的泡沫層。如控制不會導(dǎo)致生物發(fā)酵液面上生成不同程度的泡沫層。如控制不好，就會大大降低發(fā)酵反應(yīng)器的有效反應(yīng)空間即裝料系數(shù)好，就會大大降低發(fā)酵反應(yīng)器的有效反應(yīng)空間即裝料系數(shù)低，增加感染雜菌的機(jī)會，嚴(yán)重時泡沫會從排氣口溢出而低，增加感染雜菌的機(jī)會，嚴(yán)重時泡沫會從排氣口溢出而造成跑料，這導(dǎo)致產(chǎn)物收率下降。造成跑料，這導(dǎo)致產(chǎn)物收率下降。精選ppt（一）設(shè)定參數(shù)7培養(yǎng)基流加速度培養(yǎng)基流加速度 對生物發(fā)酵的連續(xù)操作或流加操作過程，均需連續(xù)或間歇對生物發(fā)酵的連續(xù)操作或流加操作過

37、程，均需連續(xù)或間歇往反應(yīng)器中加入新鮮培養(yǎng)基，且要控制加入量和加入速度，往反應(yīng)器中加入新鮮培養(yǎng)基，且要控制加入量和加入速度，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的連續(xù)發(fā)酵或流加操作，獲得最大的發(fā)酵速率以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的連續(xù)發(fā)酵或流加操作，獲得最大的發(fā)酵速率和生產(chǎn)效率。和生產(chǎn)效率。精選ppt（一）設(shè)定參數(shù)8冷卻介質(zhì)流量與速度冷卻介質(zhì)流量與速度 生物發(fā)酵過程均有生物合成熱產(chǎn)生，對機(jī)械攪拌發(fā)酵罐還生物發(fā)酵過程均有生物合成熱產(chǎn)生，對機(jī)械攪拌發(fā)酵罐還有攪拌熱，為保持反應(yīng)器系統(tǒng)的溫度在工藝規(guī)定的范圍內(nèi)，有攪拌熱，為保持反應(yīng)器系統(tǒng)的溫度在工藝規(guī)定的范圍內(nèi)，必須用水等冷卻介質(zhì)通過熱交換器把發(fā)酵熱移走。根據(jù)生必須用水等冷卻介質(zhì)通過熱交換器把發(fā)酵

38、熱移走。根據(jù)生化反應(yīng)器的熱量平衡算式：化反應(yīng)器的熱量平衡算式：冷卻發(fā)酵QQQ0（7-38） 精選ppt（一）設(shè)定參數(shù))(12TTcFQW冷卻（7-39） 微生物發(fā)酵熱，J/min；攪拌熱，J/min；冷卻水所帶走的熱量，J/min；冷卻水流量，m3/min；水的比熱容，J/min3；冷卻水出口溫度，；冷卻水入口溫度，；發(fā)酵Q0Q冷卻QWFc2T1T精選ppt（一）設(shè)定參數(shù)8冷卻介質(zhì)流量與速度冷卻介質(zhì)流量與速度 要維持工藝要求的發(fā)酵溫度，對應(yīng)不同的發(fā)酵時期有要維持工藝要求的發(fā)酵溫度，對應(yīng)不同的發(fā)酵時期有不同的發(fā)酵熱以及冷卻介質(zhì)的溫度，需相應(yīng)改變其流不同的發(fā)酵熱以及冷卻介質(zhì)的溫度，需相應(yīng)改變其流量

39、。故必須測定冷卻介質(zhì)的進(jìn)出口溫度與流量，據(jù)此量。故必須測定冷卻介質(zhì)的進(jìn)出口溫度與流量，據(jù)此也可間接推定發(fā)酵罐中的生物反應(yīng)是否正常進(jìn)行。也可間接推定發(fā)酵罐中的生物反應(yīng)是否正常進(jìn)行。精選ppt（一）設(shè)定參數(shù) 9培養(yǎng)基質(zhì)濃度和產(chǎn)物濃度培養(yǎng)基質(zhì)濃度和產(chǎn)物濃度對生物發(fā)酵生產(chǎn)，基質(zhì)濃度如糖濃度等對生物細(xì)胞的生長對生物發(fā)酵生產(chǎn)，基質(zhì)濃度如糖濃度等對生物細(xì)胞的生長及產(chǎn)物生成具有重要作用，在發(fā)酵結(jié)束時，培養(yǎng)液基質(zhì)濃及產(chǎn)物生成具有重要作用，在發(fā)酵結(jié)束時，培養(yǎng)液基質(zhì)濃度則是發(fā)酵轉(zhuǎn)化率及產(chǎn)物得率的重要衡量。尤其是連續(xù)發(fā)度則是發(fā)酵轉(zhuǎn)化率及產(chǎn)物得率的重要衡量。尤其是連續(xù)發(fā)酵和流加培養(yǎng)操作，發(fā)酵液中的基質(zhì)濃度更為重要。類似

40、酵和流加培養(yǎng)操作，發(fā)酵液中的基質(zhì)濃度更為重要。類似地，產(chǎn)物濃度的測知也同樣重要，因?yàn)檎莆樟税l(fā)酵液中的地，產(chǎn)物濃度的測知也同樣重要，因?yàn)檎莆樟税l(fā)酵液中的產(chǎn)物濃度，就可確定發(fā)酵的進(jìn)程以及決定發(fā)酵是否正常及產(chǎn)物濃度，就可確定發(fā)酵的進(jìn)程以及決定發(fā)酵是否正常及是否需要結(jié)束發(fā)酵。所以基質(zhì)與產(chǎn)物濃度的檢測、控制對是否需要結(jié)束發(fā)酵。所以基質(zhì)與產(chǎn)物濃度的檢測、控制對各種發(fā)酵均是必要的。各種發(fā)酵均是必要的。精選ppt（二）狀態(tài)參數(shù) 狀態(tài)參數(shù)是指能反映反應(yīng)過程中微生物的生理代謝狀況的參數(shù)，如pH、DO、溶解CO2、尾氣O2、尾氣CO2、黏度、菌濃等。1黏度（或表觀黏度）培養(yǎng)基的黏度主要受培養(yǎng)基的成分及濃度、細(xì)胞濃度

41、、溫度、代謝產(chǎn)物等影響。而發(fā)酵液的黏度（或表觀黏度）對溶液的攪拌與混合、溶氧速率、物質(zhì)傳遞等有重要影響，同時對攪拌功率消耗及發(fā)酵產(chǎn)物的分離純化均起著重要作用。精選ppt（二）狀態(tài)參數(shù) 2pH生物發(fā)酵過程培養(yǎng)液的pH是生物細(xì)胞生長及產(chǎn)物或副產(chǎn)物生成的指示，是最重要的發(fā)酵過程參數(shù)之一。因每一種生物細(xì)胞均有最佳的生長增殖pH值，細(xì)胞及酶的生物催化反應(yīng)也有相應(yīng)的最佳pH范圍。而在培養(yǎng)基制備及產(chǎn)物提取、純化過程也必須控制適當(dāng)?shù)膒H。因此生物反應(yīng)生產(chǎn)對pH的檢測控制極為重要。精選ppt（二）狀態(tài)參數(shù) 3溶氧濃度和氧化還原電位好氣性發(fā)酵過程中，液體培養(yǎng)基中均需維持一定水平的溶解氧，以滿足生物細(xì)胞呼吸、生長及

42、代謝需要。在通風(fēng)深層液體發(fā)酵過程中，溶解氧水平和溶氧效率往往是發(fā)酵生產(chǎn)水平和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的重要影響因素，不同的發(fā)酵生產(chǎn)和不同的發(fā)酵時間，均有適宜的溶氧水平和溶氧速率。故對生物反應(yīng)系統(tǒng)即培養(yǎng)液中的溶氧濃度必須測定和控制。此外，發(fā)酵過程溶解氧水平還可以作為判別發(fā)酵是否有雜菌或噬菌體污染的間接參數(shù)，若溶氧濃度變化異常，則提示發(fā)酵系統(tǒng)出現(xiàn)雜菌污染或其他問題。精選ppt（二）狀態(tài)參數(shù) 對一些亞好氧的生物發(fā)酵反應(yīng)如某些氨基酸發(fā)酵生產(chǎn)，在產(chǎn)物積累時，只需很低的溶解氧水平，過高或過低都會影響生產(chǎn)效率。這樣低的溶解氧濃度使用目前的溶氧電極是無法測定的，故使用氧化還原電極電位計(jì)（ORP儀）來測定微小的溶氧值。精選

43、ppt（二）狀態(tài)參數(shù) 4發(fā)酵液中溶解CO2濃度對通氣發(fā)酵生產(chǎn)，由于生物細(xì)胞的呼吸和生物合成，培養(yǎng)液中的氧會被部分消耗，而溶解的CO2含量會升高。對大部分的好氧發(fā)酵，當(dāng)發(fā)酵液中溶解CO2濃度增至某值時，就會使細(xì)胞生長和產(chǎn)物生成速率下降。例如組氨酸發(fā)酵，二氧化碳分壓應(yīng)低于0.005MPa；而精氨酸發(fā)酵，CO2分壓應(yīng)在0.015 Mpa以下，否則會使生產(chǎn)效率降低。當(dāng)然，對光照自氧的微藻培養(yǎng)，則適當(dāng)提高CO2濃度就有利于細(xì)胞產(chǎn)量的提高。精選ppt（二）狀態(tài)參數(shù) 5細(xì)胞濃度及酶活特性生化反應(yīng)過程都是通過菌體的各種酶類來促使反應(yīng)進(jìn)行的，而菌體的濃度與酶的活動中心密切相關(guān)。通過菌體干重的測定，可以了解生物的

44、生長狀態(tài)，從而控制和改變生產(chǎn)工藝或補(bǔ)料和供氧，保證達(dá)到較好的生產(chǎn)水平。當(dāng)然，以酶做催化劑的生化反應(yīng)，則酶濃度（活度）是必須檢測監(jiān)控的參變量。 精選ppt（二）狀態(tài)參數(shù) 6菌體形態(tài)在生化反應(yīng)過程中，菌體形態(tài)的變化也是反應(yīng)它的代謝變化的重要特征?？梢愿鶕?jù)菌體的形態(tài)不同，區(qū)分出不同的發(fā)酵階段和菌體的質(zhì)量。精選ppt（三）間接參數(shù) 間接參數(shù)是指那些通過基本參數(shù)計(jì)算求得的參數(shù)，如氧利間接參數(shù)是指那些通過基本參數(shù)計(jì)算求得的參數(shù)，如氧利用速率（用速率（OUR）、二氧化碳釋放速率（）、二氧化碳釋放速率（CER）、比生產(chǎn)速）、比生產(chǎn)速率（率（）、體積氧傳質(zhì)速率（）、體積氧傳質(zhì)速率（KLa）、呼吸熵（）、呼吸熵（

45、RQ）等。）等。通過對發(fā)酵罐作物料平衡可計(jì)算后者反映微生物的代謝狀通過對發(fā)酵罐作物料平衡可計(jì)算后者反映微生物的代謝狀況，尤其能提供從生長向生產(chǎn)過渡或主要基質(zhì)間的代謝過況，尤其能提供從生長向生產(chǎn)過渡或主要基質(zhì)間的代謝過渡指標(biāo)。渡指標(biāo)。精選ppt（三）間接參數(shù) 1呼吸代謝參數(shù)呼吸代謝參數(shù)微生物的呼吸代謝參數(shù)通常有三個：即微生物的氧利用速率，微生物的呼吸代謝參數(shù)通常有三個：即微生物的氧利用速率，二氧化碳釋放速率，和呼吸熵。假設(shè)流出反應(yīng)器的氣體流量二氧化碳釋放速率，和呼吸熵。假設(shè)流出反應(yīng)器的氣體流量與空氣流入量相等，空氣中氧濃度為與空氣流入量相等，空氣中氧濃度為21%，二氧化碳的濃度，二氧化碳的濃度為

46、零，測量到排出氣體的氧濃度為為零，測量到排出氣體的氧濃度為 ，二氧化碳的濃度為，二氧化碳的濃度為 ，則由氣相物料平衡計(jì)算可得：則由氣相物料平衡計(jì)算可得：%2出O%2出CO精選ppt（三）間接參數(shù) 氧利用速率（OUR） （7-49）二氧化碳釋放速率（CER） （7-50）呼吸熵（ ） （7-51）其中 空氣流量，m3/min； 反應(yīng)液體積，m3。VFOOURRAO/%)%21(22出VFCOCERRACO/%22出RQ%/%212222出出）（COORRRQCOOAFV精選ppt（三）間接參數(shù) 2菌體比生長速率菌體比生長速率每小時每單位重量的菌體所增加的菌體量稱為菌體的比生每小時每單位重量的菌體

47、所增加的菌體量稱為菌體的比生長速率，單位為長速率，單位為1/h。菌體的比生長速率與生物的代謝有。菌體的比生長速率與生物的代謝有關(guān)。例如，在抗生素合成階段，若比生長速率過大，菌體關(guān)。例如，在抗生素合成階段，若比生長速率過大，菌體量增加過多，代謝向菌體合成的方向發(fā)展，這不利于合成量增加過多，代謝向菌體合成的方向發(fā)展，這不利于合成抗生素。菌體的比生長速率是生化反應(yīng)動力學(xué)中的一個重抗生素。菌體的比生長速率是生化反應(yīng)動力學(xué)中的一個重要參數(shù)。要參數(shù)。精選ppt（三）間接參數(shù) 3氧比消耗速率（氧比消耗速率（rO2）氧比消耗速率稱為菌體的呼吸強(qiáng)度，即每小時每單位重量氧比消耗速率稱為菌體的呼吸強(qiáng)度，即每小時每單

48、位重量的菌體所消耗的氧的數(shù)量，其單位為毫克分子氧的菌體所消耗的氧的數(shù)量，其單位為毫克分子氧/克干菌體克干菌體小時。例如，在抗生素生產(chǎn)過程中，根據(jù)抗生素比生產(chǎn)速率小時。例如，在抗生素生產(chǎn)過程中，根據(jù)抗生素比生產(chǎn)速率與氧比消耗速率的關(guān)系，可以求得菌體最適當(dāng)?shù)难醣认乃倥c氧比消耗速率的關(guān)系，可以求得菌體最適當(dāng)?shù)难醣认乃俾省Ｂ?。精選ppt二、檢測方法與儀器二、檢測方法與儀器 研究微生物生長過程所需要的檢測參數(shù)大多是通過在反研究微生物生長過程所需要的檢測參數(shù)大多是通過在反應(yīng)器中配置各種傳感器和自動分析儀來實(shí)現(xiàn)的。這些裝應(yīng)器中配置各種傳感器和自動分析儀來實(shí)現(xiàn)的。這些裝置能把非電量參數(shù)轉(zhuǎn)化為電信號，這些信

49、號經(jīng)適當(dāng)處理置能把非電量參數(shù)轉(zhuǎn)化為電信號，這些信號經(jīng)適當(dāng)處理后，可用于監(jiān)測發(fā)酵的狀態(tài)、直接作發(fā)酵閉環(huán)控制和計(jì)后，可用于監(jiān)測發(fā)酵的狀態(tài)、直接作發(fā)酵閉環(huán)控制和計(jì)算間接參數(shù)。圖算間接參數(shù)。圖7-2為生物反應(yīng)器配置傳感器或檢測裝為生物反應(yīng)器配置傳感器或檢測裝置的示意說明圖。置的示意說明圖。精選ppt二、檢測方法與儀器二、檢測方法與儀器 T F ,圖 7 - 2 生 化 反 應(yīng) 過 程 測 量 儀 器 系 統(tǒng)空 氣WAF1培 養(yǎng) 液消 泡T ,p ,p,D O ,VF加X , S , pc消F2T 2C O ,O %MGp2R M P精選ppt二、檢測方法與儀器二、檢測方法與儀器 一般可粗略地把檢測儀器

50、分成一般可粗略地把檢測儀器分成:在線檢測（在線檢測（On-line measurement）離線檢測（離線檢測（Off-line measurement）在線檢測在線檢測:是儀器的電極等可直接與反應(yīng)器內(nèi)的培養(yǎng)基是儀器的電極等可直接與反應(yīng)器內(nèi)的培養(yǎng)基接觸或可連續(xù)從反應(yīng)器中取樣進(jìn)行分析測定，如溶氧濃度、接觸或可連續(xù)從反應(yīng)器中取樣進(jìn)行分析測定，如溶氧濃度、pH、罐壓等；、罐壓等；離線測量離線測量:是指在一定時間內(nèi)離散取樣，在反應(yīng)器外進(jìn)行樣是指在一定時間內(nèi)離散取樣，在反應(yīng)器外進(jìn)行樣品處理和分析的測量，包括常規(guī)的化學(xué)分析和自動實(shí)驗(yàn)分品處理和分析的測量，包括常規(guī)的化學(xué)分析和自動實(shí)驗(yàn)分析系統(tǒng)。析系統(tǒng)。精選p

51、pt二、檢測方法與儀器二、檢測方法與儀器 表7-3典型生物狀態(tài)變量的測量范圍和準(zhǔn)確度或控制變量的精度變量測量范圍準(zhǔn)確度或精度，%變量測量范圍準(zhǔn)確度或精度，%溫度01500.01MSL揮發(fā)物攪拌轉(zhuǎn)速03000rpm0.2甲醇，乙醇010g/L15罐壓02bar0.1丙酮010g/L15重量90100kg0.1丁酮010g/L1501kg0.01在線FIA:液體流量08m3/h1葡萄糖0100g/L202kg/h0.5NH4+010g/L1稀釋速率01h-10.5PO43-010g/L14通氣量02vvm在線HPLC:泡沫開/關(guān)酚0100mg/L25精選ppt二、檢測方法與儀器二、檢測方法與儀器

52、表7-3典型生物狀態(tài)變量的測量范圍和準(zhǔn)確度或控制變量的精度氣泡開/關(guān)碳酸鹽0100g/L25液位開/關(guān)有機(jī)酸01g/L14pH2120.1紅霉素020g/L8pO20%100%飽和1其他副產(chǎn)物05g/L25pCO20100mbar1在線GC：尾氣16%21%1乙酸05g/L27尾氣0%5%1羥基丙酮010g/L2熒光05V丁二醇010g/L8氧還電位0.60.3V0.2乙醇05g/L2RQ0.520（mol/L）/（mol/L）取決于傳播誤差甘油01g/L9傳感器0100AU變化很大精選ppt二、檢測方法與儀器二、檢測方法與儀器 發(fā)酵過程對傳感器的要求：發(fā)酵過程對傳感器的要求：1.發(fā)酵過程對傳

53、感器的常規(guī)要求為準(zhǔn)確性、精確度、靈敏度、發(fā)酵過程對傳感器的常規(guī)要求為準(zhǔn)確性、精確度、靈敏度、分辨能力要高，響應(yīng)時間滯后要小，能夠長時間穩(wěn)定工作，分辨能力要高，響應(yīng)時間滯后要小，能夠長時間穩(wěn)定工作，可靠性好，具有可維修性。可靠性好，具有可維修性。2.對發(fā)酵用傳感器的特殊要求是由發(fā)酵反應(yīng)的特點(diǎn)決定的，對發(fā)酵用傳感器的特殊要求是由發(fā)酵反應(yīng)的特點(diǎn)決定的，發(fā)酵底物中含有大量的微生物，必須考慮衛(wèi)生要求，發(fā)酵過發(fā)酵底物中含有大量的微生物，必須考慮衛(wèi)生要求，發(fā)酵過程中不允許有其他雜菌污染。程中不允許有其他雜菌污染。3.傳感器與發(fā)酵液直接接觸，一般要求傳感器能與發(fā)酵液同傳感器與發(fā)酵液直接接觸，一般要求傳感器能與

54、發(fā)酵液同時進(jìn)行高壓蒸汽滅菌，不能耐受蒸汽滅菌的傳感器可在罐外時進(jìn)行高壓蒸汽滅菌，不能耐受蒸汽滅菌的傳感器可在罐外用其他方法滅菌后無菌裝入。用其他方法滅菌后無菌裝入。精選ppt二、檢測方法與儀器二、檢測方法與儀器 發(fā)酵過程對傳感器的要求：發(fā)酵過程對傳感器的要求：5.發(fā)酵用傳感器容易被培養(yǎng)基和細(xì)菌污染，應(yīng)選用不易污染發(fā)酵用傳感器容易被培養(yǎng)基和細(xì)菌污染，應(yīng)選用不易污染的材料如不銹鋼，同時要注意結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，選擇無死角的形狀的材料如不銹鋼，同時要注意結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，選擇無死角的形狀和結(jié)構(gòu)，防止微生物附著及干擾，便于清洗，不允許泄漏。和結(jié)構(gòu)，防止微生物附著及干擾，便于清洗，不允許泄漏。6.傳感器只與被測變量有關(guān)而

55、不受過程中其他變量和周圍環(huán)傳感器只與被測變量有關(guān)而不受過程中其他變量和周圍環(huán)境條件變化影響的能力，如抗氣泡及泡沫干擾等。境條件變化影響的能力，如抗氣泡及泡沫干擾等。由于上述種種原因，使得許多傳感器，尤其是檢測化學(xué)物質(zhì)由于上述種種原因，使得許多傳感器，尤其是檢測化學(xué)物質(zhì)濃度、微生物質(zhì)濃度的傳感器，很難在工業(yè)規(guī)模的生化過程濃度、微生物質(zhì)濃度的傳感器，很難在工業(yè)規(guī)模的生化過程中使用。中使用。精選ppt二、檢測方法與儀器二、檢測方法與儀器 發(fā)酵過程對傳感器的要求：發(fā)酵過程對傳感器的要求：5.發(fā)酵用傳感器容易被培養(yǎng)基和細(xì)菌污染，應(yīng)選用不易污染發(fā)酵用傳感器容易被培養(yǎng)基和細(xì)菌污染，應(yīng)選用不易污染的材料如不銹

56、鋼，同時要注意結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，選擇無死角的形狀的材料如不銹鋼，同時要注意結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，選擇無死角的形狀和結(jié)構(gòu)，防止微生物附著及干擾，便于清洗，不允許泄漏。和結(jié)構(gòu)，防止微生物附著及干擾，便于清洗，不允許泄漏。6.傳感器只與被測變量有關(guān)而不受過程中其他變量和周圍環(huán)傳感器只與被測變量有關(guān)而不受過程中其他變量和周圍環(huán)境條件變化影響的能力，如抗氣泡及泡沫干擾等。境條件變化影響的能力，如抗氣泡及泡沫干擾等。由于上述種種原因，使得許多傳感器，尤其是檢測化學(xué)物質(zhì)由于上述種種原因，使得許多傳感器，尤其是檢測化學(xué)物質(zhì)濃度、微生物質(zhì)濃度的傳感器，很難在工業(yè)規(guī)模的生化過程濃度、微生物質(zhì)濃度的傳感器，很難在工業(yè)規(guī)模的生化過程中使

57、用。中使用。精選ppt第三節(jié)第三節(jié) 控制理論與應(yīng)用控制理論與應(yīng)用一、生物過程的控制特征一、生物過程的控制特征二、先進(jìn)控制理論在反應(yīng)器控制中的應(yīng)用二、先進(jìn)控制理論在反應(yīng)器控制中的應(yīng)用 精選ppt一、生物過程的控制特征一、生物過程的控制特征（一）溫度的控制（一）溫度的控制 生物反應(yīng)的最佳溫度范圍是比較狹窄的，所以發(fā)酵過程需把生物生物反應(yīng)的最佳溫度范圍是比較狹窄的，所以發(fā)酵過程需把生物反應(yīng)器的溫度控制在某一定值或區(qū)間內(nèi)。最適發(fā)酵溫度的選擇往反應(yīng)器的溫度控制在某一定值或區(qū)間內(nèi)。最適發(fā)酵溫度的選擇往往既要考慮有利于提高生物合成反應(yīng)的速度，又要顧及生物合成往既要考慮有利于提高生物合成反應(yīng)的速度，又要顧及生

58、物合成反應(yīng)的持久性，同時還要兼顧其它環(huán)境條件的影響。此外，對于反應(yīng)的持久性，同時還要兼顧其它環(huán)境條件的影響。此外，對于次級代謝產(chǎn)物的合成來說，由于初級代謝和次級代謝的酶系不同，次級代謝產(chǎn)物的合成來說，由于初級代謝和次級代謝的酶系不同，適合于微生物生長和產(chǎn)物合成的溫度也可能不同，故在整個發(fā)酵適合于微生物生長和產(chǎn)物合成的溫度也可能不同，故在整個發(fā)酵過程中應(yīng)根據(jù)生長和產(chǎn)物合成的不同需要，在不同的發(fā)酵階段選過程中應(yīng)根據(jù)生長和產(chǎn)物合成的不同需要，在不同的發(fā)酵階段選擇不同的溫度。影響生化反應(yīng)溫度的主要因素有微生物發(fā)酵熱、擇不同的溫度。影響生化反應(yīng)溫度的主要因素有微生物發(fā)酵熱、電極攪拌熱、冷卻水本身的溫度以

59、及周圍環(huán)境溫度的改變。電極攪拌熱、冷卻水本身的溫度以及周圍環(huán)境溫度的改變。精選ppt一、生物過程的控制特征一、生物過程的控制特征（一）溫度的控制（一）溫度的控制 生化反應(yīng)器采用通冷卻水的方式帶走生化反應(yīng)熱。其冷卻水冷卻生化反應(yīng)器采用通冷卻水的方式帶走生化反應(yīng)熱。其冷卻水冷卻的方式有兩種，小型的采用夾套冷卻形式，而大型的生化反應(yīng)器的方式有兩種，小型的采用夾套冷卻形式，而大型的生化反應(yīng)器通常采用在反應(yīng)器內(nèi)裝盤管冷卻器的形式。通常采用在反應(yīng)器內(nèi)裝盤管冷卻器的形式。 在冷卻水溫度比較穩(wěn)定的情況下，生化反應(yīng)器的溫度常采用單回在冷卻水溫度比較穩(wěn)定的情況下，生化反應(yīng)器的溫度常采用單回路的路的PID控制。這樣

60、的溫度控制系統(tǒng)由四個環(huán)節(jié)組成，即溫度測控制。這樣的溫度控制系統(tǒng)由四個環(huán)節(jié)組成，即溫度測量元件，通常用鉑熱電阻溫度計(jì)量元件，通常用鉑熱電阻溫度計(jì)T，控制器，控制器 ，調(diào)節(jié)閥和被控過，調(diào)節(jié)閥和被控過程的生化反應(yīng)器（發(fā)酵罐）。程的生化反應(yīng)器（發(fā)酵罐）。1cG精選ppt一、生物過程的控制特征一、生物過程的控制特征圖 7-18 發(fā) 酵 過 程 溫 度 控 制1-溫 度 傳 感 變 送 器 2-溫 度 控 制 器 3-調(diào) 節(jié) 閥 4-生 化 反 映 器 5-夾 套1空 氣4M冷 卻 水35TC2精選ppt一、生物過程的控制特征一、生物過程的控制特征（二）（二）pH的控制的控制發(fā)酵液的發(fā)酵液的pH值既是培養(yǎng)